JP2013021803A - 電気自動車駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、直流電源の温度を調整できる電気自動車駆動システムを提供する。
【解決手段】自動車駆動システム100は、複数の電源ユニット12,14及び少なくとも1つの温度センサ18を備える直流電源10と、直流電源10から出力される電力を直交変換する電力変換器40と、電力変換器40から出力される電力により駆動されるモータ50と、直流電源10から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられ、直流電源10の各電源ユニット12,14と電力変換器40との接続状態を切り替えるスイッチ回路60と、温度センサ18により検出された温度に基づいて、電力変換器40に電気的に接続される電源ユニットの数を変化させるように、スイッチ回路60を制御する制御部とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】自動車駆動システム100は、複数の電源ユニット12,14及び少なくとも1つの温度センサ18を備える直流電源10と、直流電源10から出力される電力を直交変換する電力変換器40と、電力変換器40から出力される電力により駆動されるモータ50と、直流電源10から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられ、直流電源10の各電源ユニット12,14と電力変換器40との接続状態を切り替えるスイッチ回路60と、温度センサ18により検出された温度に基づいて、電力変換器40に電気的に接続される電源ユニットの数を変化させるように、スイッチ回路60を制御する制御部とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、電気自動車駆動システムに関し、特に、直流電源と直流電源から出力された電力を直交変換しモータに供給する電力変換器との接続技術に関する。
従来から電気自動車駆動システムを構成する電源として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池のような二次電池が用いられている。その中でも、鉛蓄電池及びニッケル水素電池に比べ高出力密度であるリチウムイオン電池は、直流電源の小型化、及び電気自動車の一回の充電で走行できる距離である一充電走行距離の向上が期待できるため、近年、電気自動車の直流電源として多く使用されている。
ところで、例えば、リチウムイオン電池は、低温状態や高温状態にあるとき、電池内での化学反応が起きにくくなり、電池特性が低下することが知られている。そのため、走行用モータ(以下、単に「モータ」という)の駆動に十分な電力を供給するには、直流電源の温度を一定範囲内に調整し、電池特性を維持できるようにすることが好ましい。
特許文献1では、モータから直流電源全体へオイルを介して熱を伝える冷却循環系を備える自動車駆動システムが開示されている。この構成では、直流電源の温度が低温状態のとき、モータの駆動によりモータで発生した熱を冷却循環系のオイルを介して直流電源に伝え、直流電源全体を暖機する。直流電源をより速やかに暖機したい場合、モータで発生する電力損失を増加させることで、モータで発生する熱を増加させる。また、特許文献2では、直流電源に熱的に接続された加熱装置等の温度制御装置を備える自動車駆動システムが開示されている。この構成では、直流電源が低温状態のとき、加熱装置で発生した熱が直流電源全体を暖機する。このように、直流電源の温度を一定範囲内に調整する自動車駆動システムが開示されている。
特許文献1では、モータから直流電源全体へオイルを介して熱を伝える冷却循環系を備える自動車駆動システムが開示されている。この構成では、直流電源の温度が低温状態のとき、モータの駆動によりモータで発生した熱を冷却循環系のオイルを介して直流電源に伝え、直流電源全体を暖機する。直流電源をより速やかに暖機したい場合、モータで発生する電力損失を増加させることで、モータで発生する熱を増加させる。また、特許文献2では、直流電源に熱的に接続された加熱装置等の温度制御装置を備える自動車駆動システムが開示されている。この構成では、直流電源が低温状態のとき、加熱装置で発生した熱が直流電源全体を暖機する。このように、直流電源の温度を一定範囲内に調整する自動車駆動システムが開示されている。
ところで、特許文献1では、暖機用のオイルを循環させる配管及び循環ポンプを用いるため、複雑な構成となっている。また、特許文献2で用いる温度制御装置は、直流電源全体を暖機できる大型なものとなっている。一方、電気自動車の一充電走行距離を向上するためには、直流電源の温度を調整する装置を小型化したり軽量化したりするなど、簡単な構成で直流電源の温度を調整することが望ましい。
本発明は、上記課題の解決を図るべくなされたものであって、簡単な構成で、直流電源の温度を調整できる電気自動車駆動システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電気自動車駆動システムは、複数の電源ユニット及び少なくとも1つの温度センサを備える直流電源と、直流電源から出力される電力を直交変換する電力変換器と、電力変換器から出力される電力により駆動されるモータと、直流電源から電力変換器へ電力を供給するラインに設けられ、直流電源の各電源ユニットと電力変換器との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、温度センサにより検出された温度に基づいて、電力変換器に電気的に接続される電源ユニットの数を変化させるように、スイッチ回路を制御する制御部とを備える。
一般に、直流電源の各電源ユニットは内部抵抗を有している。電源ユニットと電力変換器とが電気的に接続されて電源ユニットに電流が流れると、この電源ユニットでは内部抵抗によるジュール熱が発生する。このジュール熱は、直流電源の暖機等の温度調整に利用できる。本発明に係る自動車駆動システムでは、直流電源に設けられた温度センサにより検出された温度に基づいて、電力変換器に接続される電源ユニットの数を変化させている。これにより、直流電源の温度に応じて、直流電源で発生するジュール熱の総量を調整でき、その結果、直流電源の温度を調整できる。しかも、この直流電源の温度調整は各電源ユニットの内部抵抗を利用しており、直流電源全体を温度調整する装置が不要であるため、簡単な構成で、直流電源の温度を調整できる。
[実施の形態1]
1.電気自動車駆動システムの全体構成
図1は、実施の形態に係る電気自動車駆動システムの模式図である。
電気自動車駆動システム100は、直流電源10、直流電源10と接続された電力変換器40、電力変換器40と接続された走行用三相交流モータ50(以下、単に「モータ」という)、直流電源10から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられたスイッチ回路60、直流電源10の温度情報を取得する電源ECU20(Electronic Control Unit)、モータ50を制御する制御部であるモータECU30、及び、例えば、アクセルやブレーキのような操作部32を備える。
1.電気自動車駆動システムの全体構成
図1は、実施の形態に係る電気自動車駆動システムの模式図である。
電気自動車駆動システム100は、直流電源10、直流電源10と接続された電力変換器40、電力変換器40と接続された走行用三相交流モータ50(以下、単に「モータ」という)、直流電源10から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられたスイッチ回路60、直流電源10の温度情報を取得する電源ECU20(Electronic Control Unit)、モータ50を制御する制御部であるモータECU30、及び、例えば、アクセルやブレーキのような操作部32を備える。
直流電源10は、セル12a,12b,12c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット12」という)、及びセル14a,14b,14c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット14」という)を備えている。セルは、例えば、リチウムイオン電池であり、電源ユニット12と電源ユニット14とは並列接続されている。直流電源10では、電力を供給する際に電流が流れることで、内部抵抗により自己発熱が生じる。直流電源10には、直流電源10のうち電源ユニット12の温度を検出する電源温度センサ18および電源ユニット14の温度を検出する電源温度センサ19が設けられている。電源温度センサ18、19は、例えば、サーミスタからなり、電源ユニット12または電源ユニット14における一箇所の温度を検出し、当該温度に基づく電圧信号を電源ECU20に送信する。
電源ECU20は、電源温度センサ18、19から送信された電圧信号に基づき電源ユニット12または電源ユニット14の温度情報を取得し、当該温度情報をモータECU30に送信する。具体的には、電源温度センサ18、19から送信された電圧信号に直流電源10内の電池温度分布を考慮した情報が、直流電源10の温度情報として取り扱われる。
スイッチ回路60は、電源ユニット12,14と電力変換器40との接続状態を切り替える。また、スイッチ回路60は、機械的リレーであるスイッチ62,64を含む。スイッチ62は電源ユニット12から電力変換器40に電力を供給するラインに設けられ、スイッチ64は電源ユニット14から電力変換器40に電力を供給するラインに設けられている。
電力変換器40は、直流電源10が出力した直流電力を直交変換しモータ50に交流電力を供給する。電力変換器40は、スイッチング素子42U及び44U,42V及び44V,42W及び44W(以下、まとめて示す場合には、「スイッチング素子42,44」という)と、パルス幅変調回路46とを備える。スイッチング素子42,44としては、例えば、Si−IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)が利用可能である。パルス幅変調回路46は、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:以下、PWMと略称する)信号のオンデューティの最大値を変化させることにより電力変換器40の出力電力を変化させることができる。電力変換器40の出力電力は、モータECU30の指示に応じて適宜設定される。
モータECU30は、電源ECU20で検出された電源ユニット12または電源ユニット14の温度情報に基づいて、電力変換器40に電気的に接続される電源ユニットの数を変化させるようスイッチ回路60に指示する。また、モータECU30は、操作部32で検出されたユーザの操作に関する情報に基づいて電力変換器40の出力電力を決定し、決定された出力電力を電力変換器40に指示する。これらについては、フローチャートを用いて、後に詳細に説明する。モータECU30は、本発明における制御部に相当する。
モータ50としては、例えば、永久磁石埋め込み型の同期モータが利用可能である。
2.モータECU30が行う動作のフローチャート
図2は、実施の形態1に係るモータECU30が行う動作のフローチャートを示す図である。
まず、モータECU30は、電源ECU20から電源ユニット12および電源ユニット14の温度T12、T14を取得し(ステップS101)、温度T12、T14が下限温度T1未満か否かを判定する(ステップS102)。
2.モータECU30が行う動作のフローチャート
図2は、実施の形態1に係るモータECU30が行う動作のフローチャートを示す図である。
まず、モータECU30は、電源ECU20から電源ユニット12および電源ユニット14の温度T12、T14を取得し(ステップS101)、温度T12、T14が下限温度T1未満か否かを判定する(ステップS102)。
温度T12、T14のうちいずれか一方が下限温度T1未満のとき(ステップS102:Yes)、温度T12が温度T14未満か否かを判定する(ステップS103)。
温度T12が温度T14未満のとき(ステップS103:Yes)、モータECU30は、スイッチ62を非導通状態にし、スイッチ64を導通状態とする(ステップS104a)。これにより、電源ユニット12と電力変換器40とが電気的に遮断され、電源ユニット14と電力変換器40とが電気的に接続される。温度T12が温度T14以上のとき(ステップS103:No)、モータECU30は、スイッチ62を導通状態にし、スイッチ64を非導通状態とする(ステップS104b)。これにより、電源ユニット12と電力変換器40とが電気的に接続され、電源ユニット14と電力変換器40とが電気的に遮断される。
温度T12が温度T14未満のとき(ステップS103:Yes)、モータECU30は、スイッチ62を非導通状態にし、スイッチ64を導通状態とする(ステップS104a)。これにより、電源ユニット12と電力変換器40とが電気的に遮断され、電源ユニット14と電力変換器40とが電気的に接続される。温度T12が温度T14以上のとき(ステップS103:No)、モータECU30は、スイッチ62を導通状態にし、スイッチ64を非導通状態とする(ステップS104b)。これにより、電源ユニット12と電力変換器40とが電気的に接続され、電源ユニット14と電力変換器40とが電気的に遮断される。
温度T12、T14のいずれもが下限温度T1以上であるとき(ステップS102:No)、モータECU30は、スイッチ62とスイッチ64との両方を導通状態にする(ステップS104c)。これにより、電源ユニット12,14の両方と電力変換器40とが電気的に接続される。
次に、モータECU30は、操作部32からモータ50を駆動するのに必要な電力Pdemandを検出する(ステップS105)。ここで、モータ50を停止させるとき(ステップS106:Yes)、モータECU30は制御を停止する。一方、モータ50を停止させないとき(ステップS106:No)、モータ50に電力Pdemandが供給されるように電力変換器40を制御する(ステップS107)。
次に、モータECU30は、操作部32からモータ50を駆動するのに必要な電力Pdemandを検出する(ステップS105)。ここで、モータ50を停止させるとき(ステップS106:Yes)、モータECU30は制御を停止する。一方、モータ50を停止させないとき(ステップS106:No)、モータ50に電力Pdemandが供給されるように電力変換器40を制御する(ステップS107)。
これにより、温度T12、T14のうちいずれか一方が下限温度T1未満のとき、モータ50の駆動に使用される電源ユニットの数量が、セル12a,12b,12cから構成される電源ユニット12または、セル14a,14b,14cから構成される電源ユニット14の1機となる。一方、温度T12、T14のいずれもが下限温度T1以上のとき、モータ50の駆動に使用される電源ユニットの数量が、セル12a,12b,12cから構成される電源ユニット12及びセル14a,14b,14cから構成される電源ユニット14の2機となる。モータ50に同じ電力Pdemandを供給する場合、電源ユニットの数量が少ないほど、電源ユニットの内部抵抗による電力損失が大きくなり、その結果、自己発熱の発熱量が大きくなる。これは、内部抵抗による電力損失が、電流の2乗に比例するからである。本実施形態では、温度Tが下限温度T1未満のとき、すなわち低温状態のとき、モータ50の駆動に使用する電源ユニットの数量を減少させることにより、積極的にその電源ユニットの自己発熱を促している。これにより、モータ50の駆動に使用する電源ユニットの温度を速やかに下限温度T1まで高めることができる。
また、本実施の形態では、電源ユニット12、14の温度T12、T14のうちいずれか一方が温度T1未満のとき、電源ユニット12、14のうち温度の高い方の電源ユニットを導通状態になるように制御している。これにより、温度の低い方の電源ユニットを導通状態とする場合に比べて、電源ユニットの寿命低下を抑制することができる。
モータECU30は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS108)。
3.効果
この構成では、モータ50駆動時に直流電源10に含まれる電源ユニット12、14のうちいずれか一方の温度が下限温度よりも低い場合、温度が高い一方の電源ユニットと電力変換器40とを電気的に接続し、温度が低い他方の電源ユニットと電力変換器40とを電気的に遮断する。このとき、全ての電源ユニット12,14を電力変換器40と接続したときと比べ、一方の電源ユニットの発熱量が大きく、一方の電源ユニットは素早く暖機される。そのため、直流電源10に含まれる電源ユニット12、14のうちいずれか一方の温度が下限温度よりも低い場合でも、電力変換器40と接続された一方の電源ユニットの電池特性が素早く向上し、モータ50を速やかに駆動できる。なお、電力変換器40と接続された一方の電源ユニットの自己発熱による熱により、他方の電源ユニットも徐々に暖機される。そして、直流電源10の温度調整は、スイッチ回路60とモータECU30とにより実施されており、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
モータECU30は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS108)。
3.効果
この構成では、モータ50駆動時に直流電源10に含まれる電源ユニット12、14のうちいずれか一方の温度が下限温度よりも低い場合、温度が高い一方の電源ユニットと電力変換器40とを電気的に接続し、温度が低い他方の電源ユニットと電力変換器40とを電気的に遮断する。このとき、全ての電源ユニット12,14を電力変換器40と接続したときと比べ、一方の電源ユニットの発熱量が大きく、一方の電源ユニットは素早く暖機される。そのため、直流電源10に含まれる電源ユニット12、14のうちいずれか一方の温度が下限温度よりも低い場合でも、電力変換器40と接続された一方の電源ユニットの電池特性が素早く向上し、モータ50を速やかに駆動できる。なお、電力変換器40と接続された一方の電源ユニットの自己発熱による熱により、他方の電源ユニットも徐々に暖機される。そして、直流電源10の温度調整は、スイッチ回路60とモータECU30とにより実施されており、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
また、電源ユニット12と電源ユニット14との両方を電力変換器40に接続したときと、一方の電源ユニットのみを電力変換器40に接続したときとでは、電力変換器40に印加される電圧は等しくなる。よって、一方の電源ユニットのみでモータ50を駆動させる場合でも、モータ50の最大回転数は減少せず、自動車の最高速度に影響しない。
電源ユニット12と電源ユニット14の温度を検出・比較して、温度の高い方を導通させることにより、電池特性がより優れた電源ユニットを使いモータ50を駆動できるので、より素早くモータ50を速やかに駆動できる。また、温度の低い方の電源ユニットを導通状態とする場合に比べて、電源ユニットの寿命低下を抑制することができる。
電源ユニット12と電源ユニット14の温度を検出・比較して、温度の高い方を導通させることにより、電池特性がより優れた電源ユニットを使いモータ50を駆動できるので、より素早くモータ50を速やかに駆動できる。また、温度の低い方の電源ユニットを導通状態とする場合に比べて、電源ユニットの寿命低下を抑制することができる。
[実施の形態2]
1.構成
図3は、実施の形態2に係る電気自動車駆動システム200の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
直流電源210はセル212a,212b,212c,212d(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット212」という)、及びセル214a,214b(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット214」という)を備えている。電源ユニット212と電源ユニット214とは直列接続されている。
1.構成
図3は、実施の形態2に係る電気自動車駆動システム200の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
直流電源210はセル212a,212b,212c,212d(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット212」という)、及びセル214a,214b(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット214」という)を備えている。電源ユニット212と電源ユニット214とは直列接続されている。
スイッチ回路260は、スイッチ262,264を含む。スイッチ262は、電源ユニット212,214から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられ、スイッチ264は、電源ユニット214から電力変換器40へ電力を供給するラインに設けられている。
直流電源210の温度が下限温度よりも低いとき、スイッチ262を非導通状態にし、スイッチ264を導通状態にすることで、電源ユニット214と電力変換器40とを電気的に接続する。このとき、電源ユニット214で発生する熱により、直流電源210が暖機される。当該暖機により、直流電源210の温度が下限温度以上となったときは、スイッチ262を導通状態にし、スイッチ264を非導通状態にすることで、直流電源210全体と電力変換器40とを電気的に接続する。
直流電源210の温度が下限温度よりも低いとき、スイッチ262を非導通状態にし、スイッチ264を導通状態にすることで、電源ユニット214と電力変換器40とを電気的に接続する。このとき、電源ユニット214で発生する熱により、直流電源210が暖機される。当該暖機により、直流電源210の温度が下限温度以上となったときは、スイッチ262を導通状態にし、スイッチ264を非導通状態にすることで、直流電源210全体と電力変換器40とを電気的に接続する。
一方、直流電源210の温度が下限温度よりも高いとき、スイッチ262を導通状態にし、スイッチ264を非導通状態にすることで、直流電源210全体と電力変換器40とを電気的に接続する。
なお、直流電源210全体を電力変換器40に接続したときに比べると、電源ユニット214のみを電力変換器40に接続したとき、電力変換器40に印加される電圧は小さくなる。本実施の形態の構成では、各セル212a,212b,212c,212d,214a,214bの出力電圧が等しいとき、直流電源210全体を電力変換器40に接続したときに比べると、電源ユニット214のみを電力変換器40に接続したとき、電力変換器40に印加される電圧は1/3となる。モータ50の最大回転数は電源電圧に略比例するため、モータの最大回転数は1/3に制限される。しかし、通常の市街地走行では、一般に、モータ50の駆動に必要な最大回転数は、直流電源10全体を用いたときの最大回転数の1/3よりも小さいため、このように最大回転数が制限されても問題ない。仮に、モータ50に高い回転数を発生させる必要が生じても、電源ユニット214で発生する熱により全ての電源ユニット212,214が暖機された後、全ての電源ユニット212,214と電力変換器40とをスイッチ262を介して電気的に接続しモータ50を駆動すれば良い。
2.効果
この構成でも、電源ユニット214と電力変換器40とをスイッチ264を介して電気的に接続することで、モータ50を駆動できる。このとき、全ての電源ユニット212,214を電力変換器40と接続したときと比べ、電源ユニット214の発熱量が大きく、電源ユニット214は素早く暖機される。そのため、直流電源210の温度が下限温度よりも低い場合でも、電源ユニット214の電池特性が素早く向上し、モータ50を速やかに駆動できる。そして、直流電源210の温度調整は、スイッチ回路260とモータECU30とにより実施されており、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
なお、直流電源210全体を電力変換器40に接続したときに比べると、電源ユニット214のみを電力変換器40に接続したとき、電力変換器40に印加される電圧は小さくなる。本実施の形態の構成では、各セル212a,212b,212c,212d,214a,214bの出力電圧が等しいとき、直流電源210全体を電力変換器40に接続したときに比べると、電源ユニット214のみを電力変換器40に接続したとき、電力変換器40に印加される電圧は1/3となる。モータ50の最大回転数は電源電圧に略比例するため、モータの最大回転数は1/3に制限される。しかし、通常の市街地走行では、一般に、モータ50の駆動に必要な最大回転数は、直流電源10全体を用いたときの最大回転数の1/3よりも小さいため、このように最大回転数が制限されても問題ない。仮に、モータ50に高い回転数を発生させる必要が生じても、電源ユニット214で発生する熱により全ての電源ユニット212,214が暖機された後、全ての電源ユニット212,214と電力変換器40とをスイッチ262を介して電気的に接続しモータ50を駆動すれば良い。
2.効果
この構成でも、電源ユニット214と電力変換器40とをスイッチ264を介して電気的に接続することで、モータ50を駆動できる。このとき、全ての電源ユニット212,214を電力変換器40と接続したときと比べ、電源ユニット214の発熱量が大きく、電源ユニット214は素早く暖機される。そのため、直流電源210の温度が下限温度よりも低い場合でも、電源ユニット214の電池特性が素早く向上し、モータ50を速やかに駆動できる。そして、直流電源210の温度調整は、スイッチ回路260とモータECU30とにより実施されており、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
[実施の形態3]
1.構成
図4は、実施の形態3に係る電気自動車駆動システム300の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
直流電源310は、セル312a,312b,312c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット312」という)、及びセル314a,314b,314c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット314」という)を備えている。直流電源310には、電源温度センサ18が設けられている。さらに、直流電源310は、電源ユニット312を暖機する加熱器319を備える。スイッチ回路360は、スイッチ362,364を含む。
2.モータECU30が行う動作のフローチャート
図5は、実施の形態3に係るモータECU30が行う動作のフローチャートを示す図である。
1.構成
図4は、実施の形態3に係る電気自動車駆動システム300の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
直流電源310は、セル312a,312b,312c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット312」という)、及びセル314a,314b,314c(以下、まとめて示す場合には、「電源ユニット314」という)を備えている。直流電源310には、電源温度センサ18が設けられている。さらに、直流電源310は、電源ユニット312を暖機する加熱器319を備える。スイッチ回路360は、スイッチ362,364を含む。
2.モータECU30が行う動作のフローチャート
図5は、実施の形態3に係るモータECU30が行う動作のフローチャートを示す図である。
まず、モータECU30は、電源ECU20から直流電源10の温度Tを取得し(ステップS201)、温度Tが下限温度T1未満か否かを判定する(ステップS202)。
温度Tが下限温度T1未満のとき(ステップS202:Yes)、モータECU30は、スイッチ362を導通状態にし、スイッチ364を非導通状態にし、加熱器319を起動させる(ステップS203a)。これにより、電源ユニット312と電力変換器40とが電気的に接続され、電源ユニット314と電力変換器40とが電気的に遮断される。
温度Tが下限温度T1未満のとき(ステップS202:Yes)、モータECU30は、スイッチ362を導通状態にし、スイッチ364を非導通状態にし、加熱器319を起動させる(ステップS203a)。これにより、電源ユニット312と電力変換器40とが電気的に接続され、電源ユニット314と電力変換器40とが電気的に遮断される。
温度Tが下限温度T1以上であるとき(ステップS202:No)、モータECU30は、スイッチ362とスイッチ364との両方を導通状態にする(ステップS203b)。これにより、電源ユニット312,314の両方と電力変換器40とが電気的に接続され、加熱器319は起動されない。
次に、モータECU30は、操作部32からモータ50を駆動するのに必要な電力Pdemandを検出する(ステップS104)。ここで、モータ50を停止させるとき(ステップS205:Yes)、モータECU30は制御を停止する。一方、モータ50を停止させないとき(ステップS205:No)、モータ50に電力Pdemandが供給されるように電力変換器40を制御する(ステップS206)。
次に、モータECU30は、操作部32からモータ50を駆動するのに必要な電力Pdemandを検出する(ステップS104)。ここで、モータ50を停止させるとき(ステップS205:Yes)、モータECU30は制御を停止する。一方、モータ50を停止させないとき(ステップS205:No)、モータ50に電力Pdemandが供給されるように電力変換器40を制御する(ステップS206)。
モータECU30は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS207)。
3.効果
この構成では、加熱器319は電源ユニット312のみを暖機すれば良いので、小型の加熱器を用いることができ、直流電源310の温度調整は、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
3.効果
この構成では、加熱器319は電源ユニット312のみを暖機すれば良いので、小型の加熱器を用いることができ、直流電源310の温度調整は、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。
また、直流電源310の温度が下限温度よりも低い場合、電源ユニット312の自己発熱に加えて加熱器319により、電源ユニット312が暖機される。その結果、実施の形態1と比べ、電源ユニット312が暖機されるまでの時間をさらに短縮できる。
[実施の形態4]
1.構成
図6は、実施の形態4に係る電気自動車駆動システム400の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
[実施の形態4]
1.構成
図6は、実施の形態4に係る電気自動車駆動システム400の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム100と同じなので説明を省略する。
スイッチ回路460は、スイッチ462,464を含む。スイッチ462,464は、半導体スイッチであり、例えば、バイポーラ半導体素子を用いた双方向スイッチである。
スイッチ462,464では、接続時に導通損失により熱が発生する。導通損失とは、半導体スイッチに流れる電流と、半導体デバイスの電気抵抗や内部抵抗により発生する電圧とを乗じた電力損失である。スイッチ462,464と直流電源10とを近接配置したり、スイッチ462,464と直流電源10との間を、熱伝導性を有する物質を介して熱的に結合したりすると、直流電源10を当該熱により暖機できる。ここで、熱伝導性を有する物質としては、銅、アルミニウムなどの金属が挙げられる。
2.効果
直流電源10が低温状態にあるとき、上記実施の形態と同様に、電池特性を素早く向上でき、モータ50の始動特性が向上できる。そして、直流電源10の温度調整は、スイッチ回路460とモータECU30とにより実施されるので、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。なお、半導体スイッチがON状態にならない程度の電流をゲートに与えて電力損失を増加させることにより、半導体スイッチで発生する熱を増加させると、さらにモータ50を速やかに駆動できる。
スイッチ462,464では、接続時に導通損失により熱が発生する。導通損失とは、半導体スイッチに流れる電流と、半導体デバイスの電気抵抗や内部抵抗により発生する電圧とを乗じた電力損失である。スイッチ462,464と直流電源10とを近接配置したり、スイッチ462,464と直流電源10との間を、熱伝導性を有する物質を介して熱的に結合したりすると、直流電源10を当該熱により暖機できる。ここで、熱伝導性を有する物質としては、銅、アルミニウムなどの金属が挙げられる。
2.効果
直流電源10が低温状態にあるとき、上記実施の形態と同様に、電池特性を素早く向上でき、モータ50の始動特性が向上できる。そして、直流電源10の温度調整は、スイッチ回路460とモータECU30とにより実施されるので、従来よりも簡単な構成で実施されているといえる。なお、半導体スイッチがON状態にならない程度の電流をゲートに与えて電力損失を増加させることにより、半導体スイッチで発生する熱を増加させると、さらにモータ50を速やかに駆動できる。
また、この構成では半導体スイッチを用いることで、小型化、低コスト化、さらに動作速度の向上が期待できる。
[変形例]
1.各電源ユニットの寿命を考慮した変形例
上記実施の形態では、直流電源が低温状態のとき、既定の電源ユニットのみを電力変換器に接続する構成をとっていたが、これに限らない。低温状態のとき電力変換器と接続する電源ユニットを、動作ごとに入れ替えても良い。
[変形例]
1.各電源ユニットの寿命を考慮した変形例
上記実施の形態では、直流電源が低温状態のとき、既定の電源ユニットのみを電力変換器に接続する構成をとっていたが、これに限らない。低温状態のとき電力変換器と接続する電源ユニットを、動作ごとに入れ替えても良い。
例えば、図1に示す実施の形態1における、モータECU30によるスイッチ回路の制御を示す。
まず、ユーザが自動車を始動する際、直流電源の温度が下限温度未満であれば、モータECU30は、スイッチ62を導通状態にし、スイッチ64を非導通状態とし、導通状態にしたスイッチがスイッチ62であることを記憶しておく。
まず、ユーザが自動車を始動する際、直流電源の温度が下限温度未満であれば、モータECU30は、スイッチ62を導通状態にし、スイッチ64を非導通状態とし、導通状態にしたスイッチがスイッチ62であることを記憶しておく。
次に、ユーザが自動車を始動する際、直流電源の温度が下限温度未満であり、且つ、前回に導通状態にしたスイッチが62であるので、モータECU30は、記憶データを基に、スイッチ62を非導通状態にし、スイッチ64を導通状態とする。さらに、導通状態にしたスイッチがスイッチ64であることを記憶しておく。
この構成では、低温状態時に電源ユニット12,14をそれぞれ交互に用いるので、低温状態時において片方の電源ユニットのみがモータ50に電力を供給することにより、片方の電池寿命を早く劣化させてしまうことがない。両方の電源ユニット12,14の使用状態を均一にするよう制御することで、どちらか一方の電源ユニットのみの電池寿命が劣化するのを抑制できる。
2.電力変換器に接続する電源ユニットの数の変化の変形例
上記実施の形態では、直流電源に含まれる複数の電源ユニットを2つのグループに分け、スイッチ回路に含まれる2つのスイッチにより、二段階で電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させていたが、これに限らない。電力変換器に接続させる電源ユニットの数の変化は、三段階以上の多段階で実行しても良い。
この構成では、低温状態時に電源ユニット12,14をそれぞれ交互に用いるので、低温状態時において片方の電源ユニットのみがモータ50に電力を供給することにより、片方の電池寿命を早く劣化させてしまうことがない。両方の電源ユニット12,14の使用状態を均一にするよう制御することで、どちらか一方の電源ユニットのみの電池寿命が劣化するのを抑制できる。
2.電力変換器に接続する電源ユニットの数の変化の変形例
上記実施の形態では、直流電源に含まれる複数の電源ユニットを2つのグループに分け、スイッチ回路に含まれる2つのスイッチにより、二段階で電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させていたが、これに限らない。電力変換器に接続させる電源ユニットの数の変化は、三段階以上の多段階で実行しても良い。
例えば、図7(a)に示すように、直列接続した電源ユニット512,514,516と、スイッチ562,564,566とを備える電気自動車駆動システム500を用いても良い。この構成では、モータECUは、2つの下限温度T11,T12(T11<T12とする)を保持し、直流電源510の温度TがT11よりも低いときは、スイッチ566のみを導通状態とし、電源ユニット516のみと電力変換器とを電気的に接続する。また、TがT11以上であってT12よりも低いときは、スイッチ564のみを導通状態とし、電源ユニット514,516のみと電力変換器とを電気的に接続する。TがT12以上であるときは、スイッチ562のみを導通状態とし、全ての電源ユニット512,514,516と電力変換器とを電気的に接続する。
また、図7(b)に示すように、並列接続した電源ユニット612,614,616と、スイッチ662,664,666とを備える電気自動車駆動システム600を用いても良い。この構成では、直流電源610の温度TがT11よりも低いときは、スイッチ666のみを導通状態とし、電源ユニット616のみと電力変換器とを電気的に接続する。また、TがT11以上であってT12よりも低いときは、スイッチ664,666のみを導通状態とし、電源ユニット614,616のみと電力変換器とを電気的に接続する。TがT12以上であるときは、全てのスイッチ662,664,666を導通状態とし、全ての電源ユニット612,614,616と電力変換器とを電気的に接続する。
上述のように、三段階で電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させると、直流電源の温度や操作情報に対応して、より細やかにスイッチ回路を制御できる。
3.電源ユニットの高温対策
実施の形態では、直流電源の温度を下限温度と比較して、電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させていたが、これに限らない。電源ユニットが高温状態のときにも電池特性は悪化するので、全ての電源ユニットを用いてモータが駆動されているとき、電力変換器に接続され高温状態となった電源ユニットを電気的に遮断し、高温状態でない別の電源ユニットのみでモータを駆動しても良い。具体的には、モータECUに上限温度を持たせ、当該上限温度と直流電源の温度とを比較し、電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させることとなる。このように電力変換器に接続する電源ユニットを切り替えると、高温状態になかった電源ユニットでは、全ての電源ユニットを電力変換器に接続する時と比べ、大きな電流が流れ内部抵抗により大きな電力損失が発生し自己発熱する。しかしながら、高温状態になかった電源ユニットの温度が上限温度以上となるには時間がかかり、それまでに高温状態であった電源ユニットの温度が下がると考えられる。また、直流電源に冷却装置や外部に排熱する機構が設けられている構成では、ある一定温度以上に電源ユニットが暖機されにくく、電源ユニットの温度は一定の値に落ち着くと考えられる。
3.電源ユニットの高温対策
実施の形態では、直流電源の温度を下限温度と比較して、電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させていたが、これに限らない。電源ユニットが高温状態のときにも電池特性は悪化するので、全ての電源ユニットを用いてモータが駆動されているとき、電力変換器に接続され高温状態となった電源ユニットを電気的に遮断し、高温状態でない別の電源ユニットのみでモータを駆動しても良い。具体的には、モータECUに上限温度を持たせ、当該上限温度と直流電源の温度とを比較し、電力変換器に接続させる電源ユニットの数を変化させることとなる。このように電力変換器に接続する電源ユニットを切り替えると、高温状態になかった電源ユニットでは、全ての電源ユニットを電力変換器に接続する時と比べ、大きな電流が流れ内部抵抗により大きな電力損失が発生し自己発熱する。しかしながら、高温状態になかった電源ユニットの温度が上限温度以上となるには時間がかかり、それまでに高温状態であった電源ユニットの温度が下がると考えられる。また、直流電源に冷却装置や外部に排熱する機構が設けられている構成では、ある一定温度以上に電源ユニットが暖機されにくく、電源ユニットの温度は一定の値に落ち着くと考えられる。
例えば、図1に示す電気自動車駆動システム100において、全ての電源ユニット12,14を用いてモータ50が駆動され、且つ、電源ユニット12の温度が上限温度以上であり電源ユニット14の温度が上限温度より低いとき、高温状態にある電源ユニット12と電力変換器40との間にあるスイッチ62を非導通状態とし、高温状態にない残りの電源ユニット14と電力変換器40との間にあるスイッチ64を導通状態とすると良い。この結果、電力変換器40に接続された電源ユニット12が高温状態になっても、電池特性を悪化させず電源ユニット14からモータ50に電力を供給できる。なお、電源ユニット12の温度が上限温度より低くなれば、再度、全ての電源ユニット12,14を用いてモータ50が駆動すれば良い。
また、直流電源が高温になるのを防ぐために、実施の形態3で示した温調器319に代えて、電源ユニット312を加熱及び冷却する機能を有する温度調節器を用いても良い。この場合、電源ユニット312の温度が上限温度以上となり電池特性が悪化したときに、高温状態にある電源ユニット312を温度調節器により上限温度まで冷却する。これにより、電池ユニット312の電池特性を回復できる。具体的には、モータECU30が上限温度情報を保持し、当該上限温度と電源ユニット312の温度とを比較する。
4.半導体スイッチ
上記実施の形態では、半導体スイッチは双方向スイッチとしているが、例えば、単方向スイッチを用いても良い。また、バイポーラ半導体素子を用いているが、例えば、ユニポーラ半導体素子を用いても良い。また、シリコン半導体素子、及びワイドバンドギャップ半導体素子等を用いても良い。
4.半導体スイッチ
上記実施の形態では、半導体スイッチは双方向スイッチとしているが、例えば、単方向スイッチを用いても良い。また、バイポーラ半導体素子を用いているが、例えば、ユニポーラ半導体素子を用いても良い。また、シリコン半導体素子、及びワイドバンドギャップ半導体素子等を用いても良い。
なお、スイッチと電力変換器とを構成する半導体スイッチは、単一モジュールであってもよい。
5.その他
上記実施の形態では、直流電源のセルとしてリチウムイオン電池を用いたが、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等の低温で電池特性が低下するような他の電池を用いても良い。
5.その他
上記実施の形態では、直流電源のセルとしてリチウムイオン電池を用いたが、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等の低温で電池特性が低下するような他の電池を用いても良い。
本発明で示す自動車は四輪自動車に限らず、例えば、二輪車等であっても良い。本発明に係る電気自動車駆動システムの構成などは、上記実施の形態に係る電気自動車駆動システムの構成に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。
また、上記実施の形態等では、モータが走行用モータである例について示したが、これに限らず、例えば、モータとして、電動コンプレッサ用のモータ、電動パワーステアリング用のモータ等の補機系のモータを用いても、上記実施の形態等と同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態等では、モータが走行用モータである例について示したが、これに限らず、例えば、モータとして、電動コンプレッサ用のモータ、電動パワーステアリング用のモータ等の補機系のモータを用いても、上記実施の形態等と同様の効果が得られる。
そして、技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各工程で使用したプロセスを、他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、工程順を入れ替えることも可能である。
本発明は、二次電池を直流電源としたハイブリッド電気自動車、電気自動車等の電源システムに利用できる。
10,210,310,510,610 直流電源
12,14,212,214,312,314,512,514,516,612,614,616 電源ユニット
20 電源ECU
30 モータECU
40 電力変換器
50 走行用モータ
60,260,360,460 スイッチ回路
62,64,262,264,362,364,462,464,562,564,566,662,664,666 スイッチ
100,200,300,400,500,600 電気自動車駆動システム
12,14,212,214,312,314,512,514,516,612,614,616 電源ユニット
20 電源ECU
30 モータECU
40 電力変換器
50 走行用モータ
60,260,360,460 スイッチ回路
62,64,262,264,362,364,462,464,562,564,566,662,664,666 スイッチ
100,200,300,400,500,600 電気自動車駆動システム
Claims (11)
- 複数の電源ユニット及び少なくとも1つの温度センサを備える直流電源と、
前記直流電源から出力される電力を直交変換する電力変換器と、
前記電力変換器から出力される電力により駆動されるモータと、
前記直流電源から前記電力変換器へ電力を供給するラインに設けられ、前記直流電源の各電源ユニットと前記電力変換器との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、
前記温度センサにより検出された温度に基づいて、前記電力変換器に電気的に接続される電源ユニットの数を変化させるように、前記スイッチ回路を制御する制御部と
を備える
電気自動車駆動システム。 - 前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度が低いほど、前記電力変換器に電気的に接続される電源ユニットの数を減少させるように、前記スイッチ回路を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記制御部は、
前記温度センサにより検出された温度が下限温度よりも低いとき、前記複数の電源ユニットの一部と前記電力変換器とを電気的に接続し、残りの電源ユニットと前記電力変換器とを電気的に遮断するよう、前記スイッチ回路を制御し、
前記温度センサにより検出された温度が前記下限温度以上であるとき、前記複数の電源ユニットの全部と前記電力変換器とを電気的に接続するよう、前記スイッチ回路を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記複数の電源ユニットは、第1電源ユニットグループと第2電源ユニットグループとを備え、且つ、前記第1電源ユニットグループと前記第2電源ユニットグループとは並列に接続されており、
前記スイッチ回路は、前記第1電源ユニットグループから前記電力変換器へ電力を供給するラインに設けられた第1スイッチと、前記第2電源ユニットグループから前記電力変換器へ電力を供給するラインに設けられた第2スイッチとを含み、
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された温度が下限温度よりも低いとき、前記第1スイッチを導通状態にし、且つ、前記第2スイッチを非導通状態にすることで、前記第1電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に接続し、且つ、前記第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に遮断し、
前記温度センサにより検出された温度が前記下限温度以上であるとき、前記第1及び第2スイッチを導通状態にすることで、前記第1及び第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に接続するよう、
前記スイッチ回路を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記複数の電源ユニットは、第1電源ユニットグループと第2電源ユニットグループとを備え、且つ、前記第1電源ユニットグループと前記第2電源ユニットグループとは直列に接続されており、
前記スイッチ回路は、前記第1電源ユニットグループのみから前記電力変換器へ電力を供給するラインに設けられた第1スイッチと、前記第1及び第2電源ユニットグループから前記電力変換器へ電力を供給するラインに設けられた第2スイッチとを含み、
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された温度が下限温度よりも低いとき、前記第1スイッチを導通状態にし、且つ、前記第2スイッチを非導通状態にすることで、前記第1電源ユニットと前記電力変換器とを電気的に接続し、且つ、前記第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に遮断し、
前記温度センサにより検出された温度が下限温度以上であるとき、前記第1スイッチを非導通状態にし、且つ、前記第2スイッチを導通状態にすることで、前記第1及び第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に接続するよう、
前記スイッチ回路を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記温度センサは、前記電源ユニット毎に設けられており、
前記制御部は、
前記第1電源ユニットグループの温度が前記第2電源ユニットグループの温度よりも低いとき、前記第1スイッチを非導通状態にし、且つ、前記第2スイッチを導通状態にすることで、前記第1電源ユニットと前記電力変換器とを電気的に遮断し、且つ、前記第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に接続し、
前記第1電源ユニットグループの温度が前記第2電源ユニットグループの温度以上であるとき、前記第1スイッチを導通状態にし、且つ、前記第2スイッチを非導通状態にすることで、前記第1電源ユニットと前記電力変換器とを電気的に接続し、且つ、前記第2電源ユニットグループと前記電力変換器とを電気的に遮断する
請求項4に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記温度センサは、前記電源ユニット毎に設けられており、
前記制御部は、さらに、前記電力変換器と電気的に接続された前記電源ユニットが上限温度以上であるとき、
当該上限温度以上である電源ユニットと前記電力変換器との間のスイッチを電気的に遮断し、残りのいずれかの電源ユニットと前記電力変換器とを電気的に接続するように、前記スイッチ回路を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - さらに、前記直流電源を加熱する加熱器を備え、
前記制御部は、さらに、前記直流電源の温度が下限温度よりも低いとき、前記直流電源を加熱するよう、前記加熱器を制御する
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記スイッチ回路は、機械的リレーである複数のスイッチを含む
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記スイッチ回路は、半導体スイッチである複数のスイッチを含む
請求項1に記載の電気自動車駆動システム。 - 前記直流電源と前記複数のスイッチとは、熱伝導性を有する物質を介して熱的に結合されている
請求項10に記載の電気自動車駆動システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011152668A JP2013021803A (ja) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | 電気自動車駆動システム |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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Family
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JP (1) | JP2013021803A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019049341A1 (ja) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | 新電元工業株式会社 | 電力制御装置、および、電力制御装置の制御方法 |
CN110235332A (zh) * | 2017-02-14 | 2019-09-13 | 株式会社自动网络技术研究所 | 供电控制装置 |
-
2011
- 2011-07-11 JP JP2011152668A patent/JP2013021803A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110235332A (zh) * | 2017-02-14 | 2019-09-13 | 株式会社自动网络技术研究所 | 供电控制装置 |
WO2019049341A1 (ja) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | 新電元工業株式会社 | 電力制御装置、および、電力制御装置の制御方法 |
JPWO2019049341A1 (ja) * | 2017-09-08 | 2020-07-30 | 新電元工業株式会社 | 電力制御装置、および、電力制御装置の制御方法 |
JP7019707B2 (ja) | 2017-09-08 | 2022-02-15 | 新電元工業株式会社 | 電力制御装置、および、電力制御装置の制御方法 |
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